Signaltransduktion der Signaltransduktionsnetzwerkes- Gewichtskontrolle - Zusammenspiel eines Signaltransduktionsnetzwerkes-

- gesellschaflicht relevantes Gesundheitsproblem - ÜBERGEWICHT - gesellschaflicht relevantes Gesundheitsproblem - ca. 30 % der erwachsenen Amerikaner sind übergewichtig ! (mehr als 20% über dem Idealgewicht) Folgen des Übergewichtes: Bluthochdruck Typ II Diabetes Erkrankung der Herzkranzgefäße und Herzinfarkt Schlaganfall geringere Lebenserwartung

- Schlüsselregulator der Gewichtskontrolle - LEPTIN - Schlüsselregulator der Gewichtskontrolle -

Mausmodelle für menschliche Fettsucht Ob/Ob-Mäuse (obese-Mäuse) Db/Db-Mäuse (diabetes-Mäuse) Unterschiedlicher Genotyp - Identischer Phänotyp 3-fache des normalen Körpergewichtes 5-fache des Körperfettanteils abnormales Fressverhalten lethales Übergewicht Infertilität Rezessive Mutationen in den Maus-Genen obese (Chromosom 6) und diabetes (Chromosom 4)

Leptin – Genprodukt des Obese-Gens (ob/ob) Parabiosis-Experimente (Verbindung der Zirkulation von normalen und obese-Mäusen) zeigten:  Gewichtskontrolle erfolgt durch löslichen im Serum zirkulierenden Faktor Klonierung des Obese-Gens in 1994 durch Positionsklonierung (Zhang et al.) Ob-Gen: 650 kb , 3 Exons, 2 Introns 4.5 kb mRNA mRNA hauptsächlich in Adipozyten des weissen Fettgewebes nachweisbar Regulation der Transkription in Adipozyten durch spezifische Promotorelemente unbekannt - Mutationen im humanen obese-Gen sind äusserst selten!! kodiert für ein 167 Aminosäuren grosses, sekretiertes Hormon  Leptin (griechisch Leptos: Dünn)

Eigenschaften von Leptin: - 16 kDa Protein (auch 19kDa Form) keine posttranslationalen Modifikationen Strukturähnlichkeiten mit Cytokinen hoch konserviert (Maus/Mensch: 84% Identität) von Adipozyten exprimiert keine Speicherung in Adipozyten  Regulation auf transkriptioneller Ebene zirkuliert im Plasma in obese-Mäusen keine Expression von funktionsfähigem Leptin Insertion eines Transposons in ein Intron mit defektem Spleisen der RNA oder nonsens-Mutation  trunkiertes Protein

Regulation der Leptin-Expression Plasma-Leptin Konzentration korreliert mit der Fettmasse abhängig von der Adipozytengrösse und dem Triglyceridgehalt Anstieg der Plama-Leptinkonzentration führt zur spezifischen Reduktion der Fettgewebsmasse, nicht des Gesamtkörpergewichtes!! Injektion von rekombinantem Leptin führt zur Reduktion des Fettanteils in obese- aber nicht in diabetes-Mäusen

- Genprodukt des Diabetes-Gens (db/db) - Der Leptin –Rezeptor - Genprodukt des Diabetes-Gens (db/db) - - Klonierung des Leptin-Rezeptors durch Expressionsklonierung (Tartaglia, 1995) - Klasse der Cytokin Typ 1 Rezeptoren (wie z.B. IL-6 Rezeptor) - mindestens 5 verschiedene, durch alteratives Spleisen gebildete Isoformen (Ob-Ra-Re) - nur die lange Ob-Rb Form vermittelt Signaltransduktion über die C-terminale Domäne Kd Leptin-Bindung ca. 1 nM (Plasma-Leptinkonzentration), 2 potentielle Leptin-Bindungsstellen Leptinbindung führt zur Homodimerisierung des Rezeptors

Molekulare Defekte des Leptin-Rezeptors bei diabetes (db/db)-Mäusen = Ob-Ra Isoform Mutationen im db/db-Gen resultieren in Leptin-Rezeptoren ohne  Signaltransduktionseigenschaften  Transmembrandomänen  korrekte Plamamembranexpression

Leptin-Rezeptorexpression (Ob-Rb) - Expression der verschiedenen Isoformen in allen Geweben - Expression der Ob-Rb Form in T-Zellen und vasculären Endothelzellen und vor allem in Neuronen des Hypothalamus Ob-Rb Expression im ZNS in neuronalen Nuklei des Hypothalamus:  Arcuat-Nukleus  dorsometrialer Nukleus  paraventrikularer Nukleus  ventromedialer Nukleus alle diese neuronalen Zentren stehen im Zusammenhang mit Gewichtskontrolle Verlust oder Defekt dieser Gehirnbereiche führen u.a. zu erhöhter Nahrungsaufnahme

Signalwege der Cytokinrezeptoren der IL-6 Rezeptor Familie - Tyrosinkinase assoziierte Rezeptoren - MAPK-Signalweg STAT-Signalweg

Model der Leptin-Rezeptor Signalkette Genaktivierung

Sekretion von Leptin durch das Fettgewebe nach Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin spezifischer Transporter? Plasmaleptin  Sekretion von Leptin durch das Fettgewebe nach Zunahme der Fettmasse

Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin Arcuat-Nukleus

Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin - negative Rückkopplungsschleife - Energieverbrauch/Nahrungsaufnahme  Körper(Fett-)gewicht  (spezifisch für Fettgewebe)

Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe Leptin-Konzentrationen Fasten Nahrungsaufnahme

Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe Leptin-Konzentrationen Neuropeptid Y Neuropeptid, von Ob-Rb exprimierenden Neuronen sezerniert (medialer Arcuatus) Bindung an G-Protein gekoppelten NPY-5 R  Signal? cerebrale Injektion von NPY stimuliert die Nahrungsaufnahme NPY-Spiegel in ob/ob-Mäusen erhöht Transkription der NPY-RNA durch Leptin- Injektion in Mäusen reprimiert

Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe Leptin-Konzentrationen Melanocortin (a-MSH) und Antagonisten (ART und AgoutiY) Neuropeptide, von auch von Ob-Rb exprimierenden Neuronen sezerniert (Arcuatus) a-MSH: - aus Proopiomelanocortin (POMC) freigesetzt - Bindung an G-Protein gekoppelten MC-4 Rezeptor cerebrale Injektion von a-MSH hemmt die Nahrungsaufnahme POMC-RNA Gehalt durch Leptin erhöht ART und AgoutiY: - Neuropeptide (AgoutiY auch in der Haut) Antagonisten von a-MSH im Gehirn Bindung auch an den MC-4 Rezeptor durch Leptin reprimiert, in ob/ob-Mäusen induziert

Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe Leptin-Konzentrationen

Pathobiologie des Übergewichtes bei den meisten Fällen von Übergewicht zu beobachten  Downregulation?  Genetische Faktoren? - geringe bis keine Gewichtreduktion bei externer Gabe von Leptin!!

- Sensor und Schalter des zellulären Energiestatus - AMPK - Sensor und Schalter des zellulären Energiestatus -

AMPK: Struktur, Regulation und Funktion - heterotrimers Protein aus a, b und g-UE - 351 AS - Ser/Thr Kinase - ubiquitär exprimiert - Isoformen auch Gewebsspezifisch

AMPK: Struktur, Regulation und Funktion - AMPK wird aktiviert durch AMP-Bindung und Phosphorylierung

AMPK: Struktur, Regulation und Funktion - Masterschalter der zellulären Energiehomöostase - inhibiert Energie-verbrauchende Prozesse, wie Cholesterolsynthese, Lipogenese (Inhibition von ACC) und Proteinsynthese (Inhibition von mTOR) - stimuliert Energie-produzierende Prozesse, wie Fettsäureoxidation Ketogenese und Glucoseaufnahme - stimuliert die Nahrungsaufnahme

AMPK: Inhibition der Proteinsynthese durch Interaktion mit mTOR mTOR: - wichtiger Kontrollmechanismus der Translation - Komplex mit Raptor und PRAS40 → mTORC - durch Rapamycin gehemmt - Ser/Thr-Kinase, phosphoryliert 4EBP1 (Inaktivierung) und p70S6K (Aktivierung) und stimuliert so die Proteinsynthese - wird durch Insulin über Akt stimuliert und durch die AMPK gehemmt